磁電式低頻振動傳感器原位校準改進型系統的設計與實現*

尚帥錕，高 峰，楊學山，楊巧玉

（中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動重點實驗室地震災害防治應急管理部重點實驗室，河北 三河 065201）

0 引 言

無源伺服磁電式傳感器以其穩定性好，經久耐用，動態范圍大等優點而廣泛用于工程測試領域［1，2］，因此在進行測試之前需要對傳感器進行校準。如果磁電式傳感器要用于長期監測［3］，也難免會發生故障。因此，原位校準方法可以為工程測試帶來方便。但是，磁電式傳感器存在原位校準時，高頻誤差大的問題。

振動傳感器的原位校準技術分為現場離線校準和現場原位校準［4～7］，離線校準即將安裝完成的傳感器拆下進行校準［8～11］，省去了送去實驗室的步驟。原位校準即在不拆下傳感器的情況下校準，常見的為電動式校準［12］。電動式校準建立了一種較為完善的方法，單就激勵信號而言，常用的激勵信號有正弦波信號、階躍信號［13］、脈沖信號、白噪聲信號、偽隨機二進制信號［14］。

本文將改進以后的校準系統所測得的結果與中國的一級振動計量基準（使用標準振動臺對磁電式傳感器進行校準）的結果進行比較，提升了磁電式低頻振動傳感器的校準精度。

1 阻抗法校準原理

1.1 拾振器原理

根據文獻［15］對拾振器所做的研究工作：m為慣性質量（kg），G1為傳感器測量線圈的機電耦和系數（V·m／s），y為傳感器殼體位移，R1為測量線圈內阻（Ω），e為傳感器測量線圈輸出電壓（V），k為簧片剛度（N／m），C為反饋電容（F），設數據采集儀的輸入電阻遠大于線圈內阻則傳感器的速度擋靈敏度表達式為

1.2 阻抗法原理

圖1所示為借鑒文獻［16］的阻抗法校準原理，圖中i2（A）為流入校準線圈的電流，它與線圈激振力成正比，u（V）為串聯電阻兩端的電壓。

圖1 阻抗法校準原理

與文獻［15］的推導類似，系統的運動方程為

式中i1為流過測量線圈的電流，對u進行積分，得自校準速度靈敏度為

比較式（1）和式（3），兩者只是相差一個系數，歸一化靈敏度重合。

2 阻抗法原位校準與激光干涉法測量結果比較

圖2中利用數字采集系統為阻抗法電路提供正弦電信號，經阻抗法電路為拾振器提供校準信號，通過數字采集器得到傳感器輸出與u的信號，通過計算機得到拾振器的電靈敏度。

圖2 阻抗法校準系統框圖

本文使用了阻抗法對941B 拾振器的原位校準結果與中國地震局工程力學研究所低頻振動標準裝置（國家一級標準）的校準結果進行了比較。圖3（a）為垂直941B 傳感器的速度檔校準比較結果。圖3（b）為水平941B傳感器的加速度檔校準比較結果。

圖3 941BV1 和941BH1695 阻抗法校準與激光干涉校準結果比較（速度檔）

圖3中的參考靈敏度為傳感器在低頻標準振動臺上校準的歸一化靈敏度，通過測試可以看出，阻抗法的高頻校準精度比恒壓法的校準精度有了很大的提升。傳感器的原位校準誤差都控制在5%以內。

3 安裝角度對校準結果的影響

磁電式傳感器的磁路結構如圖4（a）所示，極靴與磁軛之間只有在有限的范圍內可以視為勻強磁場，離它們越遠，磁場分布越不均勻，磁感應強度越弱（如圖4（b））。由于磁電式傳感器磁路結構的對稱性，所以，只計算其直徑截面的磁感應強度，Maxwell 在計算磁感應強度分布時的驅動方程為

圖4 磁電式傳感器的磁路結構和磁感應強度

圖5 為將同一水平傳感器分別傾斜4.32″和7.2″時的實驗室和原位校準的速度靈敏度曲線。

圖5 在不同傳感器安裝夾角下的原位和激光干涉校準法歸一化靈敏度

從圖5（a）中可以看出，當傳感器安裝為7.2″時，使用改進電路后的原位校準法得到的傳感器速度歸一化靈敏度在高頻段會急劇下降。而圖5（b）表明，小角度的傾斜對于激光干涉法的影響并不大（即使傾斜角度到達7.2″），即使到了100 Hz的歸一化靈敏度也只降低了不到1%，高頻校準的相對誤差可達到30%。

4 結 論

阻抗法可以顯著提高原位校準在高頻段的精度，但低頻的校準精度有時會下降，具體原因不明。原位校準對于傳感器的安裝要求較為嚴格，與水平面的角度不宜超過7″。當傳感器與水平面的角度為7.2″時低頻段與高頻段的原位校準精度都會變差，尤其是高頻段的校準結果從50 Hz開始會急劇變差，相對激光干涉法的誤差，不會低于10%。